专利名称：基于微机械砷化镓基固支梁的频率检测器及检测方法
技术领域：
本发明提出了基于微机械砷化镓基固支梁的频率检测器及制备方法，属于微电子机械系统(MEMS)的技术领域。
背景技术：
微波频率是微波非常重要的一个参数。微波信号频率检测系统在雷达、无线通讯等方面都有极其广泛的应用。现有的微波频率检测技术主要是基于外差法、计数法和谐振法等原理，它们具有高精度和宽频带的优点，然而其最大的缺点是需要比较精密的测量仪器。随着科学技术的发展，现代个人通信系统要求微波频率检测器具有简单的结构，小的体 积以及小的直流功耗。近年来，随着MEMS技术的快速发展，并对MEMS固支梁结构进行了深入的研究，使基于微机械砷化镓基固支梁实现上述功能的微波频率检测器成为可能。
发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种基于微机械砷化镓基固支梁的频率检测器及检测方法，通过下拉电极控制MEMS固支梁，使两支路频率相同但存在一定相位差的微波信号同时加载到砷化镓MESFET (金属半导体场效应管)的栅极上，通过检测源漏极饱和电流，推算出待测微波信号的频率。技术方案为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于微机械砷化镓基固支梁的频率检测器，该频率检测器包括
功率分配器、90度移相器、低通滤波器和砷化镓金属半导体场效应管，
功率分配器，用于接收待侧微波信号，并将该待侧微波信号分成幅度、相位相同的两个支路信号，即第一路微波信号和第二路微波信号，并分别输出给砷化镓金属半导体场效应管和90度移相器；
90度移相器，用于接收所述第二路微波信号，将该信号产生一个与频率成正比的相移后，输出第三路微波信号给砷化镓金属半导体场效应管；
低通滤波器，用于通过隔直电容与砷化镓金属半导体场效应管相连，滤去其输出的高频信号，得到与频率相关的电流信号；
砷化镓金属半导体场效应管，用于实现频率的测量；其中，
砷化镓金属半导体场效应管包括砷化镓衬底，生长在砷化镓衬底表面上的用于输出饱和电流的源极和漏极，源极与漏极相对设置，在源极和漏极的外侧分别设有第一固支梁锚区，第二固支梁锚区，设置在源极和漏极之间栅极，设置在在该栅极上方且与栅极相对的固支梁，固支梁的两侧分别与第一固支梁锚区，第二固支梁锚区相连；
在栅极与第一固定梁锚区之间设有第一下拉电极，在栅极与第二固定梁锚区之间设有第二下拉电极，第一下拉电极和第二下拉电极分别被绝缘介质层覆盖；
源极接地，漏极接正电压；源极和漏极之间通过N型沟道连通，电流方向由漏极到源极；源极和漏极由金和N型重掺杂区形成欧姆接触区构成；栅极由金与N型薄层形成的肖特基接触区构成，栅极接负电压，其用于调整N型沟道耗尽层的宽度，改变源极漏极之间的饱和电流的大小；
功率分配器输出的第一路微波信号输出给第一固支梁锚区；
90度移相器的第三路微波信号输出给砷化镓金属半导体场效应管的第二固支梁锚区。本发明还提供了一种基于微机械砷化镓基固支梁的频率检测方法，该方法包括如下步骤
源极和漏极用于输出饱和电流，由金和N型重掺杂区形成欧姆接触区构成；当砷化镓金属半导体场效应管正常工作情况下，源极接地，漏极接正电压，N型沟道中的电子将从源极流向漏极，电流方向由漏极到源极，栅极由金与N型薄层形成的肖特基接触区构成，接负 电压；
待测微波信号经过功率分配器分成幅度、相位完全相同的两个支路信号，一路信号连接到第一固支梁锚区，另一路信号经过一个90度线性移相器之后连接到第二固支梁锚区；当第一下拉电极和第二下拉电极上没有直流偏置时，固支梁位于栅极的上方，砷化镓金属半导体场效应管处于非频率检测状态；
当在第一下拉电极和第二下拉电极加载直流偏置时，固支梁被下拉且与栅极接触时，两路微波信号同时加载到栅极上，从而改变源极漏极之间的饱和电流大小；通过一个电容和滤波器之后，检测源极漏极饱和电流的大小最终实现频率的测量。有益效果本发明的基于微机械砷化镓基固支梁的频率检测器不但具有体积小，结构简单，易于测量的优点，而且具有低直流功耗，易于集成且与GaAs单片微波集成电路兼容的优点。
图I是基于微机械砷化镓基固支梁的频率检测器的俯视 图2是基于微机械砷化镓基固支梁的频率检测器的A-A剖面 图3是基于微机械砷化镓基固支梁的频率检测器的B-B剖面 图中包括=GaAs衬底I，源极2，漏极3，栅极4，N型沟道
5,MEMS固支梁6，MEMS固支梁的锚区7，MEMS固支梁的下拉电极8，氮化硅介质层9，连接线10，直流偏置压焊块11，第一微波输入压焊块12，第二微波输入压焊块13。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步说明。参见图1-3，本发明提供的基于微机械砷化镓基固支梁的频率检测器，频率检测器包括
功率分配器ro、90度移相器PS、低通滤波器F和砷化镓金属半导体场效应管，
功率分配器，用于接收待侧微波信号，并将该待侧微波信号分成幅度、相位相同的两个支路信号，即第一路微波信号和第二路微波信号，并分别输出给砷化镓金属半导体场效应管和90度移相器；
90度移相器，用于接收所述第二路微波信号，将该信号产生一个与频率成正比的相移后，输出第三路微波信号给砷化镓金属半导体场效应管；低通滤波器，用于通过隔直电容与砷化镓金属半导体场效应管相连，滤去其输出的高频信号，得到与频率相关的电流信号；
砷化镓金属半导体场效应管，用于实现频率的测量；其中，
砷化镓金属半导体场效应管包 括砷化镓衬底1，生长在砷化镓衬底I表面上的用于输出饱和电流的源极2和漏极3，源极2与漏极3相对设置，在源极2和漏极3的外侧分别设有第一固支梁锚区71，第二固支梁锚区72，设置在源极2和漏极3之间栅极4，设置在在该栅极4上方且与栅极4相对的固支梁6，固支梁6的两侧分别与第一固支梁锚区71，第二固支梁锚区72相连；
在栅极4与第一固定梁锚区71之间设有第一下拉电极81，在栅极5与第二固定梁锚区72之间设有第二下拉电极82，第一下拉电极81和第二下拉电极82分别被绝缘介质层9覆盖；
源极2接地，漏极3接正电压；源极2和漏极3之间通过N型沟道5连通，电流方向由漏极3到源极2 ;源极2和漏极3由金和N型重掺杂区形成欧姆接触区构成；
栅极4由金与N型薄层形成的肖特基接触区构成，栅极4接负电压，其用于调整N型沟道5耗尽层的宽度，改变源极2漏极3之间的饱和电流的大小；
功率分配器输出的第一路微波信号输出给第一固支梁锚区71 ；
90度移相器的第三路微波信号输出给砷化镓金属半导体场效应管的第二固支梁锚区72。本发明还提供了一种基于微机械砷化镓基固支梁的频率检测方法，该方法包括如下步骤
源极2和漏极3用于输出饱和电流，由金和N型重掺杂区形成欧姆接触区构成；当砷化镓金属半导体场效应管正常工作情况下，源极2接地，漏极3接正电压，N型沟道中的电子将从源极2流向漏极3，电流方向由漏极3到源极2，栅极4由金与N型薄层形成的肖特基接触区构成，接负电压；
待测微波信号经过功率分配器ro分成幅度、相位完全相同的两个支路信号，一路信号连接到第一固支梁锚区71，另一路信号经过一个90度线性移相器之后连接到第二固支梁锚区72 ;当第一下拉电极81和第二下拉电极82上没有直流偏置时，固支梁6位于栅极4的上方，砷化镓金属半导体场效应管处于非频率检测状态；
当在第一下拉电极81和第二下拉电极82加载直流偏置时，固支梁6被下拉且与栅极4接触时，两路微波信号同时加载到栅极4上，从而改变源极2漏极3之间的饱和电流大小；通过一个电容和滤波器之后，检测源极2漏极3饱和电流的大小最终实现频率的测量。本发明的基于微机械砷化镓基固支梁的频率检测器主要包括MESFET和MEMS固支梁结构两个部分。其中，MESFET包括源极、漏极、栅极、N型沟道；MEMS固支梁结构包括MEMS固支梁、梁的锚区、下拉电极和介质层。该结构以GaAs为衬底
用于检测饱和电流的大小的源极和漏极，由金和N型重掺杂区形成欧姆接触区构成。当GaAs MESFET正常工作情况下，源极接地，漏极接正电压，N型沟道中的电子将从源极流向漏极，电流方向由漏极到源极。栅极由金与N型薄层形成的肖特基接触区构成，栅极接负电压。负极性栅极的作用是调整沟道耗尽层的宽度，改变源漏极之间的饱和电流的大小。
该频率检测器具有一个MEMS固支梁结构，它横跨在栅极上，两个下拉电极位于固支梁的下面，且分布在栅极的两侧，绝缘的介质氮化硅覆盖在下拉电极上。待测的微波信号经过功分器分成幅度与相位完全相同的两个支路信号，分别连接到对应的压焊块上。当两个下拉电极上没有直流偏置时，MEMS固支梁位于up态，GaAs MESFET源漏极之间的饱和电流不变；当在两个下拉电极上加载直流偏置将MEMS固支梁下拉与栅极接触时，支路一的信号经过90°的移相器之后，与支路二的信号通过MEMS固支梁同时加载到GaAs MESFET的栅极上，从而改变源漏极之间的饱和电流大小。因此，通过一个电容和滤波器之后，检测源漏极饱和电流的大小最终可以实现微波信号频率的测量。本文发明的基于微机械砷化镓基固支梁的频率检测器的具体实施方案如下
在GaAs衬底I上设有源极2、漏极3、栅极4、N型沟道5、MEMS固支梁锚区7和下拉电极8。源极2和漏极3用于检测饱和电流的大小，由金和N型重掺杂区形成欧姆接触区 构成。当GaAs MESFET正常工作情况下，源极2接地，漏极3接正电压，N型沟道中的电子将从源极2流向漏极3，电流方向由漏极3到源极2。栅极4由金与N型薄层形成的肖特基接触区构成，栅极4接负电压。负极性栅极4的作用是调整沟道5耗尽层的宽度，改变源极2漏极3之间的饱和电流的大小。该频率检测器具有一个MEMS固支梁结构6，它横跨在栅极4上，两个下拉电极8位于固支梁6的下面，分布在栅极4的两侧，绝缘的介质氮化硅9覆盖在下拉电极8上。待测的微波信号经过功分器分成两支幅度、相位完全相同的两个支路信号，分别连接到对应的压焊块12、13上。当两个下拉电极上没有直流偏置时，MEMS固支梁6位于up态，GaAsMESFET源漏极之间的饱和电流不变；当在两个下拉电极8上加载直流偏置将MEMS固支梁6下拉与栅极4接触时，支路一的信号经过90°的移相器之后与支路二的信号通过MEMS固支梁6同时加载到GaAs MESFET的栅极4上，从而改变源极2漏极3之间的饱和电流大小。因此，通过一个电容和滤波器之后，检测源极2漏极3饱和电流的大小最终实现两支信号频率的测量。基于微机械砷化镓基固支梁的频率检测器的制备方法为
1)准备半绝缘GaAs衬底；
2)注入N型杂质，在GaAs表面形成N型薄层；
3)光刻栅区，去除栅区以外的光刻胶；
4)电子束蒸发钛/钼/金；
5)剥离栅极区域以外的钛/钼/金；
6)加热蒸发的钛/钼/金形成肖特基势垒区，形成栅极；
7)在需要形成源极和漏极的区域注入重掺杂N型杂质，形成N型重掺杂区；
8)对N型重掺杂区快速退火处理；
9)光刻源极和漏极，去除源极和漏极以外的光刻胶；
10)真空蒸发金锗镍/金；
11)剥离源级和漏级区域以外的金锗镍/金；
12)合金化形成欧姆接触，形成源极和漏极；
13)光刻去除将要保留下拉电极、MEMS固支梁的锚区、压焊块和连接线地方的光刻胶；
14)蒸发第一层金，其厚度为0.3// ；
15)剥离下拉电极8、悬臂梁锚区7、压焊块和连接线以外的金，形成下拉电极、MEMS固支梁的锚区、压焊块和连接线；
16)淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层在GaAs衬底上涂覆I.6pm厚的聚酰亚胺牺牲层，要求填满凹坑，聚酰亚胺牺牲层的厚度决定了 MEMS固支梁与其下方在下拉电极上氮化硅介质层之间的距离；光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留固支梁下方的牺牲层；
17)蒸发钛/金/钛，其厚度为500/1500/300A:蒸发用于电镀的底金；
18)光刻去除要电镀地方的光刻胶；
19)电镀金，其厚度为；
20)去除光刻胶去除不需要电镀地方的光刻胶；
21)反刻钛/金/钛，腐蚀底金，形成MEMS固支梁；
22)释放聚酰亚胺牺牲层显影液浸泡，去除MEMS固支梁下的聚酰亚胺牺牲层，去离子水稍稍浸泡，无水乙醇脱水，常温下挥发，晾干。区分是否为该结构的标准如下
本发明所提出基于微机械砷化镓基固支梁的频率检测器具有MEMS固支梁横跨在MESFET的栅极上方，在MEMS固支梁下方设计了两个下拉电极，当在下拉电极上加载直流偏置时，MEMS固支梁被下拉，其中间部分与栅极相接触，待测信号经过功分器分成幅度、相位完全相同的两路信号，其中经过90°移相器支路一的信号，与支路二的信号通过MEMS固支梁同时加载到GaAs MESFET的栅极上，从而控制源漏极间的饱和电流的大小，最终实现微波信号频率的检测。满足以上条件的结构即视为本发明的基于微机械砷化镓基固支梁的频率检测器。以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
权利要求
1.一种基于微机械砷化镓基固支梁的频率检测器，其特征在于该频率检测器包括 功率分配器(PD)、90度移相器(PS)、低通滤波器(F)和砷化镓金属半导体场效应管， 功率分配器，用于接收待侧微波信号，并将该待侧微波信号分成幅度、相位相同的两个支路信号，即第一路微波信号和第二路微波信号，并分别输出给砷化镓金属半导体场效应管和90度移相器； 90度移相器，用于接收所述第二路微波信号，将该信号产生一个与频率成正比的相移后，输出第三路微波信号给砷化镓金属半导体场效应管； 低通滤波器，用于通过隔直电容与砷化镓金属半导体场效应管相连，滤去其输出的高频信号，得到与频率相关的电流信号； 砷化镓金属半导体场效应管，用于实现频率的测量；其中， 砷化镓金属半导体场效应管包括砷化镓衬底(I )，生长在砷化镓衬底(I)表面上的用于输出饱和电流的源极(2)和漏极(3)，源极(2)与漏极(3)相对设置，在源极(2)和漏极(3)的外侧分别设有第一固支梁锚区(71)，第二固支梁锚区(72)，设置在源极(2)和漏极(3)之间栅极(4)，设置在在该栅极(4)上方且与栅极(4)相对的固支梁(6)，固支梁(6)的两侧分别与第一固支梁锚区(71)，第二固支梁锚区(72)相连； 在栅极(4)与第一固定梁锚区(71)之间设有第一下拉电极(81)，在栅极(5)与第二固定梁锚区(72)之间设有第二下拉电极(82)，第一下拉电极(81)和第二下拉电极(82)分别被绝缘介质层(9)覆盖； 源极(2)接地，漏极(3)接正电压；源极(2)和漏极(3)之间通过N型沟道(5)连通，电流方向由漏极(3)到源极(2);源极(2)和漏极(3)由金和N型重掺杂区形成欧姆接触区构成； 栅极(4)由金与N型薄层形成的肖特基接触区构成，栅极(4)接负电压，其用于调整N型沟道(5)耗尽层的宽度，改变源极(2)漏极(3)之间的饱和电流的大小； 功率分配器输出的第一路微波信号输出给第一固支梁锚区(71); 90度移相器的第三路微波信号输出给砷化镓金属半导体场效应管的第二固支梁锚区(72)。
2.一种如权利要求I所述的基于微机械砷化镓基固支梁的频率检测器的频率检测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤 源极(2)和漏极(3)用于输出饱和电流，由金和N型重掺杂区形成欧姆接触区构成；当砷化镓金属半导体场效应管常工作情况下，源极(2)接地，漏极(3)接正电压，N型沟道中的电子将从源极(2)流向漏极(3)，电流方向由漏极(3)到源极(2)，栅极(4)由金与N型薄层形成的肖特基接触区构成，接负电压； 待测微波信号经过功率分配器(PD)分成幅度、相位完全相同的两个支路信号，一路信号连接到第一固支梁锚区(71)，另一路信号经过一个90度线性移相器之后连接到第二固支梁锚区(72);当第一下拉电极(81)和第二下拉电极(82)上没有直流偏置时，固支梁(6)位于栅极(4)的上方，砷化镓金属半导体场效应管处于非频率检测状态； 当在第一下拉电极(81)和第二下拉电极(82)加载直流偏置时，固支梁(6)被下拉且与栅极(4)接触时，两路微波信号同时加载到栅极(4)上，从而改变源极(2)漏极(3)之间的饱和电流大小；通过一个电容和滤波器之后，检测源极(2)漏极(3)饱和电流的大小最终实现频率的 测量。
全文摘要
本发明公开了一种基于微机械砷化镓基固支梁的频率检测器及检测方法，该频率检测器包括功率分配器(PD)、90度移相器(PS)、低通滤波器(F)和砷化镓金属半导体场效应管，功率分配器，用于接收待侧微波信号，并将该待侧微波信号分成幅度、相位相同的两个支路信号，即第一路微波信号和第二路微波信号，并分别输出给砷化镓金属半导体场效应管和90度移相器。该方法包括如下步骤，当在第一下拉电极(81)和第二下拉电极(82)加载直流偏置时，固支梁(6)被下拉且与栅极(4)接触时，两路微波信号同时加载到栅极(4)上；通过一个电容和滤波器之后，检测源极(2)漏极(3)饱和电流的大小最终实现频率的测量。本发明结构简单。
文档编号G01R23/02GK102735926SQ20121020465
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月20日 优先权日2012年6月20日
发明者廖小平, 易真翔 申请人:东南大学